Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных сетях сотовой связи новые услуги и приложения, требующие все больше ресурсов, развиваются быстрее, чем стандарты сетей связи. В связи с этим, все чаще проявляется недостаток пропускной способности. Однако, это далеко не единственная проблема в сотовых сетях. Надежность покрытия, в силу особенностей планирования и организации сотовых сетей, тесно связана с емкостью сот: чем меньше размер соты, тем больше трафика она может обслуживать, и тем острее стоит проблема интерференции и качества приема сигнала. Таким образом, с неизбежным уменьшением размеров сот, приходит необходимость улучшения качества канала для абонентов, находящихся на границах сот. Одним из наиболее перспективных методов решения этой проблемы на сегодняшний день считается глобальное планирование ресурсов, когда сеть динамически выделяет дополнительные частотно-временные ресурсы для обслуживания краевых абонентов. К сожалению, задачи глобального планирования чрезвычайно сложны, и их точное решение в реальном времени практически невозможно. Современной альтернативой такому решению являются сети с кооперацией - когда абоненты сотовой сети могут выполнять функции ретранслятора друг для друга. Вопросы построения современных сетей сотовой связи и применения кооперации для улучшения качества обслуживания рассматривались в работах Г. Г. Яновского, М. А. Сиверса, Б. С. Гольдштейна, А. Е. Кучерявого, A. Ephremides, С. Hoymann, W. Chen и др.
В отличие от методов, рассмотренных в предыдущих работах, при практической реализации кооперативная передача требует значительно более точного управления, в частности:
контроль интерференции необходим для того, чтобы кооперативные передачи не создавали избыточных помех на соседние соты;
необходима эффективная схема регистрации оказанных услуг кооперации, а также механизмы позволяющие кооператорам использовать полученный в результате кооперации кредит;
требуется достаточно простая схема сигнализации, реализующая указанные механизмы, учитывающая тот факт, что значительные изменения стандарта крайне маловероятны.
Таким образом, исследования, направленные на решение указанных задач, являются необходимыми для практического внедрения практически любой схемы
кооперации в сотовых сетях, и, как следствие, выбранная тема работы является актуальной.
Цели и задачи исследований. Цель диссертации состоит в разработке новых методов кооперации, оценки качества кооперативной передачи и исследовании характеристик предложенных методов. Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач:
анализ существующих методов кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи и алгоритмов контроля интерференции,
разработка нового метода кооперативной передачи для современных сетей сотовой подвижной связи,
разработка новых методов оценки качества кооперативной передачи в сетях сотовой подвижной связи,
разработка новых методов учета кооперативных передач,
исследование характеристик предложенных методов в современных сетях сотовой подвижной связи.
Методы исследования. Проведенные в диссертационной работе исследования основываются на теории вероятностей, теории массового обслуживания, математической статистике.
Для проведения численных расчетов также использовалась система имитационного моделирования сотовых сетей с кооперацией собственной разработки (с использованием программного окружения Python 3 и NumPy, а также библиотеки Gnu Scientific Library - GSL). Для анализа и обработки данных, полученных в результате имитационного моделирования использовались пакеты математического моделирования Matlab (г2012) и Octave (версии 3.5).
Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:
разработка нового метода кооперации абонентов в современных сетях сотовой подвижной связи, в частности при использовании систем длительной эволюции, обеспечивающего контроль уровня интерференции и организацию учета услуг кооперации с одновременной минимизацией объема передаваемых сигнальных сообщений,
разработка алгоритма управления кооперацией, обеспечивающего повышение спектральной эффективности для всех абонентов, а не только для находящихся в районе границы зоны обслуживания базовой станцией,
доказательство того факта, что при корректной настройке мощности на узле-источнике и на кооператоре можно обеспечить условия, при которых кооперативная передача не создает интерференцию большую, чем при повторной передаче пакета в сетях без кооперации,
разработка метода взаимозачета кооперативных передач между абонентами и алгоритм, позволяющий абоненту расходовать кредит, полученный в процессе кооперации,
разработка метода учета кооперативных передач для условий отсутствия в сети доступных кооператоров, основанного на обеспечении базовой станцией рационального режима энергопотребления для абонентов, имеющих неизрасходованный кредит.
Практическая ценность. Основными результатами диссертационной работы, обладающими практической ценностью, являются предложенные методы управления кооперативной передачей в сотовых сетях подвижной связи, учитывающие интерференцию и предоставляющие возможность учета кооперативной деятельности абонентов.
Использование результатов работы в сотовой сети для управления кооперативной передачей позволяет увеличивать надежность и зону покрытия сотовых сетей без значительных капитальных вложений со стороны оператора, а также позволяет повышать емкость сети. Кроме того, самостоятельную практическую ценность имеет разработанная система моделирования для кооперативных сетей.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается учетом основных факторов, оказывающих влияние на емкость и область покрытия сети, а также применением физических и математических моделей, адекватных исследуемым проблемам, и подтверждается соответствием используемых методов с известными результатами.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы в системе имитационного моделирования, используемой для разработки и тестирования сетей 4 и 5 поколений. Имеются акты внедрения.
Апробация результатов работы. Результаты работы в процессе ее проведения были многократно представлены на международных конференциях, в частности, IEEE Globecom (2010) и ICCCN (2011), а новые методы моделирования сетей обсуждались на европейском конгрессе по имитационному моделированию EUROSIM (2010), конференции СПбНТОРЭС им. А.С.Попова (2013), в журналах
«Системы управления и информационные технологии» (2013) и «В мире научных открытий» (2013), а также на заседаниях кафедры «Сети связи» СПб ГУТ.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в обобщении полученных результатов, а также реализации и внедрении предлагаемых методов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Работа содержит 130 страниц машинописного текста, 31 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 54 наименований.
